一、碳纖維的生產

碳纖維根據基本材料不同，可分為PAN基、瀝青基、酚醛基、纖維素基…..等不同的生產工藝。本文只涉及軍用高性能聚丙烯腈PAN碳纖維的生產工藝。雖然PAN基碳纖維生產細節(jié)的保密度比較高，但是大致的原理是公開的，先概要的介紹一下其生產過程。


碳纖維生產工藝全流程圖

如下圖1所示，PAN基碳纖維的生產，從原料單體到原絲、再到碳纖維成品加工，各道工藝的緊密相連，可以在一個車間內連續(xù)的完成全套工藝流程。


圖1：碳纖維主要生產工藝流程圖

國內有部分廠家，既沒有上游的PAN原絲生產能力，又沒有下游的碳纖維復材生產能力，只能直接購買國外原絲，再進行預氧化和碳化的后續(xù)處理生產碳纖維。好比吃魚，頭尾嫌刺多,不舍得下功夫，于是就吃個中段兒，居然也號稱自己能做碳纖維，游說國家投入巨資。

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目前國際碳纖維的生產，在國際上一直由美、日兩國主導。目前能夠進入批量工業(yè)化生產的最高級碳纖維是T800，T1000等更高品級仍在實驗室階段。航空主承力級和航天級的碳纖維工藝技術，國外對華一直封鎖。就連高性能PAN原絲，如T800原絲, 以及部分碳纖維成品，也都對華禁運——日本曾經對賣高級碳纖維給中國的人員判刑嚴懲。

所以軍用高性能碳纖維的生產，自“六五”以來一直是國家重點研發(fā)和實施科技產業(yè)化的攻關項目。十五期間，在國家863項目的推動下，形成了北京化工大學、中科院山西煤化所和山東大學為主的三個研發(fā)基地，和江蘇、吉林、山西、山東為主的四大生產基地。經過近30年的努力，取得的成績應當說是可圈可點：

T300的生產

根據中國玻璃纖維復合材料信息網 2008年的報道，中復神鷹碳纖維有限公司萬噸碳纖維一期工程，2008年底在江蘇連云港正式投產，目前形成1000噸規(guī)模碳絲生產能力。該公司曾于2007年5月實現(xiàn)了碳化生產線投產，當時碳纖維產量只有20噸左右。此后新建了2500噸PAN碳纖維原絲和1000噸碳化生產線。以45%股份成為神鷹第一大股東的中國復合材料集團董事長張定金強調，T300從設備到產品已實現(xiàn)百分之百國產化。而且在技術研發(fā)上，河南煤業(yè)化工集團已經擁有PAN基T300碳纖維完整的知識產權體系。軍工部門評價說：“T300的完全國產化，使得軍用次承力結構碳纖維獲得了完全自主權。”

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至此，可以說，通過T300級軍用碳纖維的國產化，走出了中國打破國外壟斷和技術封鎖的第一步。產品批量生產當年，T300進口價應激性的跌了一半，呵呵。（兩年后因為需求量大價格又上去了，這是后話）

T700的生產

據2012年中國航空報報道，中航工業(yè)董事長林左鳴率隊赴位于江蘇常州國家高新技術區(qū)的中簡科技發(fā)展有限公司考察調研。中簡科技成立于2008年，承擔國家“863”計劃高性能碳纖維項目，依托中科院山西煤炭化學研究院的技術團隊，經過4年時間，建立了T700碳纖維產業(yè)化生產線，年產量可達300噸。主要設備的國產化率達98%，是國內第一條T700高性能碳纖維生產線。林左鳴明確提出，中航工業(yè)對國產碳纖維產品進行支持，規(guī)定成員單位必須使用已達標的國產碳纖維產品。

T800的生產

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據江蘇經濟報2012年7月消息，江蘇航科復合材料科技有限公司建成我國首條T800碳纖維產業(yè)化線。該項目2009年底啟動，航科投入2.5億元，從原絲到成品技術均為自主研發(fā)，生產線的開工負荷已提升到90%，5個月來累計產出成品500千克，合格率達到90%以上。拉伸強度、拉伸模量、斷裂延伸三大主要性能指標以及線密度、導熱率等其他各指標，都與東麗公司的T800產品相當。目前，江蘇航科已申請專利85項，其中24項獲授權。

從原絲開始做出來，與東麗指標相當，且有自己的專利技術，這是可喜的事情，希望早日看到國家級鑒定。

可以看出，中國軍用小絲束高性能碳纖維的生產，從下游煤化工入手，通過產學研聯(lián)合攻關的模式，已經取得了可觀的進展。T300已經實現(xiàn)了年千噸以上的規(guī)?；a，T700達到了年百噸規(guī)模的批產規(guī)模，T800也看到了曙光。

首先是橫向比較，差距巨大。對于最高端的T800，江蘇航科5個月的產量只有500公斤，即每個月100公斤的規(guī)模，可以說仍然在試生產階段，距離真正的工業(yè)化生產和商業(yè)化盈利，還有很長一段路要走。而且，T700未實現(xiàn)100%國產化，T800國產化就差得更遠。而美國波音公司，1985年T800就出來了——看到了吧，差距30年啊，呵呵。

第二就是質量不穩(wěn)，廢品率高。即便是正品，各批次生產的碳纖維的性質也有差異，影響了后續(xù)復合材料的生產效果。而且難以搞清其中的原因——同樣的生產線和生產工藝，這一批合格，下一批不合格；這一批模量高，下一批模量低，究竟是為什么呢？

主要還是因為，高性能碳纖維的生產工藝繁復，可以說到了苛刻的地步。這里給出很少幾個例子，來說明一下其工藝難度：

例1：很多工藝需要加入不同種類的的穩(wěn)定劑、催化劑。比如預氧化過程中，紡絲液就需要加入路易斯酸、脛胺、有機金屬絡合物鹽、鋁、硼、鈦的金屬有機化合物以及十二烷基苯磺酸鈉類的金屬鹽等等穩(wěn)定劑，重量必須在原料的0.1-0.2%左右。 內容來自123456

例2：各工序的溫度和速度的控制精密。比如紡絲的多段凝固工藝中，第一段的溫度為35-80℃，結束后1秒中內，就要迅速進入第二階段。預氧絲在70毫克/袋的張力下，于惰性氣體中加溫，必須以每分鐘30℃升到600℃。再以每分鐘1000℃升到1300℃，同時保持20秒。絲毫不能馬虎。

例3：設備運作要求高。比如：預氧化過程中，4組導輥的直徑有嚴格要求，而且表面溫度必須分別為285℃，285℃，285℃和315℃,且絲束通過導輥的速度要求為毫米級/秒精度。

例4：物理處理手段同樣精密。比如，為防止碳化后碳絲強度降低，在碳化前對預氧化爐出口處對絲束施加0.005-0.1克/袋的張力，并對絲束噴熱氣流，將單絲吹開，改善絲束強度。

碳纖維的生產工藝參數和運行控制，是一個龐大的體系。其中無論哪個因素，操作時稍有不慎，就會前功盡棄，僵絲、斷絲、排焦、起毛、纏結….各種問題層出不窮。所謂“差之毫厘，謬以千里”，就是這個意思。

中國碳纖維行業(yè)生產長期徘徊在“能做出來，就是做不好；能做好，就是貴”的尷尬局面中。

二、碳纖維增強復合材料（CFRP）的生產

CFRP，根據基體材料和增強工藝的不同（比如陶瓷基、金屬基復合）本來是一個龐大的家族。我們這里只談基本CFRP生產工藝。大體上有兩種，即預浸料-熱壓罐固化成型工藝，和液體成型工藝。由于前者是航空結構構件的主要復材工藝，今兒就重點聊聊它。

1、預浸料

預浸料——熱壓罐固化成型工藝的第一步，就是把碳纖維放入熱固性高韌性樹脂預浸料進行預浸、吸膠，并加溫進行固化。

近年來，航空復材構件已經日趨大型化和整體化，以減少復材之間的機械裝配和緊固環(huán)節(jié)，達到提高性能、降低成本、減輕重量的目的。但由此也帶來了麻煩——部件越大，其在熱壓罐內固化過程中的溫度控制就越難保證均勻持續(xù)，從而導致質量下降。美國在預浸料-熱壓罐工藝的材料成本中，預浸料廢棄率平均為40%。因此，“零吸膠”、“常溫加壓”的先進預浸料，就成為業(yè)內的發(fā)展方向。 123456

碳纖維的生產，上面聊過，國內與國外相比是有很大差距的。但樹脂預浸料，我們的差距相對小一些。根據航空制造網的消息，國內開發(fā)的環(huán)氧樹脂預浸料碳Ⅷ /BA9918 預浸料、碳Ⅶ /BA9916-II 預浸料、CCF300/BA9916-II 預浸料和雙馬樹脂預浸料CCF300/QY9511、碳Ⅶ /QY9611，都可做到“零吸膠”、“常溫加壓”，部分預浸料已用于多個型號產品的生產，與美國波音公司的材料有著類似的性能。如下表1：


表1：國內外部分雙馬樹脂基韌性復合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國產）


表2：國內外部分環(huán)氧基韌性復合材料性能（第一列碳Ⅶ /QY9611為國產）

2、預浸料——熱壓罐整體成型工藝 本文來自123

用預浸料——熱壓罐工藝生產碳纖維制造復合材料，要先將碳纖維浸溶在樹脂溶劑里，進行鋪疊成型。接著經過模具工裝進行表面組裝固定，在部件接觸面貼膠。其后進熱壓罐100——130度固化，并通過緊固成為成品構件。

美國采用預浸料-熱壓罐固化成型工藝制造航空制造復合材料的成本中，材料占15%，預浸料鋪疊占25%，裝配占45%，固化占10%，緊固工藝占5%，

早期復合材料制造的大型構件，通常是由各自成形好的部件，通過機械連接組裝而成。這樣的方式增加了結構的自重，不能很好地發(fā)揮復合材料的優(yōu)點。隨著技術的發(fā)展，大型復材結構逐漸實現(xiàn)了預浸料——熱壓罐整體化制造，其工藝可分為三種：

共固化：不同部件分別鋪疊，整體進熱壓罐固化。

共膠接：先完成一個部件的固化，再鋪疊其他部件，整體進熱壓罐共膠接。

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后膠接：各部件分別鋪疊、分別進熱壓罐固化，然后整體再次進熱壓罐膠接。

例1：壁板類工藝

對于飛機尾翼、機翼和非筒體成型的機身，需要壁板類的大型復材，這類結構主要由蒙皮和長桁組成，其成型工藝有以下幾種方式。

共固化：分別鋪疊蒙皮和長桁，通過模具工裝將其組合在一起，接觸面鋪膠膜（或不鋪膠膜）；之后整體進熱壓罐完成共固化。

膠接：蒙皮先固化，再鋪疊長桁，通過模具工裝將其固定在已固化好的蒙皮上，接觸面鋪膠膜，之后進罐完成共膠接?；蛘叻催^來，長桁先固化，再與蒙皮共膠接。

后膠接：分別固化蒙皮和長桁；將長桁進行必要的加工；通過模具工裝將蒙皮與長桁組裝，接觸面鋪膠膜，之后進熱壓罐完成膠接。

在實際生產中，上述三種工藝可以混合使用。

例2：盒段整體工藝

對于飛機翼面，需要上、下蒙皮與骨架一體成型的整體盒段，按照用途，主要有三種工藝：

一是基于“π”形接頭的盒段結構膠接成型工藝。主要用于飛機平尾、垂尾。

二是基于T 形接頭的骨架與上、下蒙皮共固化/膠接一體成型工藝，通常用于飛機平尾、垂尾部分，如目前波音787 的平尾即采用了這類成型工藝。

三是基于T 形接頭的骨架與下蒙皮一體共固化/膠接成型工藝，通常主要用于戰(zhàn)斗機的機翼主承力結構。如歐洲EF2000 機翼、日本F2 機翼。

例3：筒體成型工藝

對于航空器的機體，其復材結構方案有兩類，一類是將機身的每段筒體分為四塊壁板分別成型后，再用機械連接方式對接，空客A350XWB 即為這種工藝方案；另一類則是將機身每段筒體整體共固化工藝成型，其代表機型是波音787。 123456

壁板、盒段、筒形制件，涉及飛機翼面、機身的主要組成部分，近年來一直是國內外復材應用的核心領域。對此感興趣的朋友，請記住預浸料-熱壓罐這個晦澀拗口，但是意義重大的術語吧。

在預浸料——熱壓罐工藝中，預浸料的手工鋪疊是人工成本和人工時間消耗最大的一個環(huán)節(jié)，這種工藝的速度慢、質量低、時間長、人工成本高。因此，鋪疊自動化，就成為這個工藝中最講究的部分。如果說，預浸料-熱壓罐是航空復材生產工藝的皇冠，那么鋪疊環(huán)節(jié)的自動化工藝，就是這個皇冠上最耀眼的那顆鉆石。

3、預浸料鋪疊自動化技術

目前，業(yè)界對手工鋪疊改進的方式主要有手工自動鋪疊、自動鋪絲、自動鋪帶三種：

3.1手工鋪疊的自動化/ 數字化技術

即采用預浸料自動剪裁下料系統(tǒng)和鋪層激光投影定位系統(tǒng)等。采用專門的數控切割設備來進行預浸料和輔助材料的平面切割，從而將依賴于樣板的制造過程轉變?yōu)榭筛鶕秃喜牧显O計軟件產生的數據文件進行全面運作的制造過程，大大提高了手工鋪疊的工作效率和鋪疊質量。

本文來自123

3.2自動鋪帶技術

分為平面式自動鋪帶機（FTLM）和曲面自動鋪帶機（CTLM）2種，主要用于鋪放小曲率的大型復合材料構件，如翼面類構件的蒙皮，可成型超大尺寸和形狀復雜的復合材料制件，且質量穩(wěn)定，縮短了鋪層及裝配工時。與手工相比，先進鋪帶技術可降低制造成本的30%~50％。

第一臺計算機數控（CNC）自動鋪帶機是在美國空軍材料實驗計劃下由General Dynamics公司和Conrac公司合作開發(fā)的，于80年代正式用于航空復合材料構件制造。90年代后，西歐開始研制生產自動鋪帶機。制造自動鋪帶機的技術主要被歐美掌控，如美國American GFM Corporation、Cincinnati Machine、CityMachine Tool&Die Company、ITW Workholding、Ingersoll和歐洲的M.TORRES（西班牙）、FOREST-LINE（法國）等。

3.3自動鋪絲技術

自動鋪絲，實際上是在自動鋪絲+自動纏繞技術基礎上發(fā)展起來的，專為曲率較大的雙曲面蒙皮構件的鋪疊而開發(fā)的技術，適用于大曲率機身和復雜曲面的成型，如軍用和民用飛機雙曲面翼身融合體、S形進氣道。自動鋪絲可以按構件型面增減紗束根數，可根據構件形狀自動切紗適應邊界，因此廢料率很低（3%～8%），可完成局部加厚、加筋、鋪層遞減、開口補強等操作，鋪放軌跡自由度更大，可變角度鋪放，能適應大曲率復雜構件成型。

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美國諾斯羅普•格魯門公司1995年購進第一臺自動絲束鋪放機，將其用于F/A-18E/F的進氣道、機身蒙皮、平尾蒙皮的制造。2010年將有40～50臺機器投入使用。目前自動鋪絲技術的代表是美國辛辛那提機床公司Viper 纖維鋪放機系統(tǒng)，有Viper1200、Viper3000，Viper6000系列鋪絲機。

國內情況：

手工鋪疊自動化：目前我國在研和批量生產的航空用先進復合材料構件大部分仍在使用手工鋪疊，雖然也通過預浸料自動下料機和激光投影儀，大幅度提高了復合材料構件的鋪疊效率，但這兩種設備大多需要進口，而且對于大型構件，依然難以保證鋪疊質量和速度。

國內自動鋪帶機：中國正在起步研究的階段。根據航空制造網的公開報道，北京航空制造工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機（如圖2），開始在新型飛機的復材構件研制中得到實驗性的應用。但就整個行業(yè)來說，遠未達到規(guī)?；瘧玫某潭?。 123456

國內自動鋪絲機：至于更上一層樓的自動鋪絲機，尚未見到有國產化設備投入應用的報道。


圖2：北航工程研究所研制的6m×20m 大型自動鋪帶機

4、纖維纏繞設備

關于碳纖維復材的成型設備，還需要提一下數控纖維纏繞機。它主要用于強韌性碳纖維通過纏繞，成型為圓筒、圓錐、球、雙曲面回轉體、組合體回轉體等構件，也可以進行矩形截面、多項式等多維復雜曲面和組合體形狀結構件纏繞，如火箭發(fā)動機殼體、各種彈體、衛(wèi)星結構件、水處理設備、天然氣儲罐、醫(yī)療防火用壓力容器等等。也是國外一直對華禁運的東東。

根據《機床工具報》報道，2007年11月，國產大型數控纖維纏繞機在齊齊哈爾第二機床廠問世，其SKCR165/1200型數控纖維纏繞機，為五坐標控制、四坐標聯(lián)動，是樹脂基復合材料纏繞成型構件的大型數控專機。該機包括五坐標控制四坐標聯(lián)動的纏繞軌跡控制系統(tǒng)、張力自動控制系統(tǒng)、溫度自動控制系統(tǒng)和質量保證系統(tǒng)，為中國火箭發(fā)動機CFRP殼體的制造奠定了堅實的基礎。


表3：自動化鋪疊和纏繞設備表

最后，中國商務部網站2012年發(fā)布消息，隸屬於中國航空工業(yè)集團公司的西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，收購了奧地利最大的波音飛機配件公司FACC 91.25%的股份。FACC的主要產品，包括復合材料飛機結構件、復合材料發(fā)動機結構件、飛機復合材料內飾。希望他山之石，可以攻玉，為提高國內航空復材的生產工藝水平，再添一把力。


圖3 FACC公司生產航空復合材料

小評：

無論碳纖維還是碳纖維復材的生產，都有一個重要特征，就是生產的連續(xù)化程度非常高，工藝開端是原料，工藝末端是成品，中間幾乎沒有半成品的概念。這種高度集成的連續(xù)化生產，帶來了正反兩方面的影響：

反面：在金屬加工行業(yè)，工藝落后往往意味著性能降低，但很多時候也能通過鈑金加工、鉚接、配重、甚至手工打磨修挫做出來。而做出來了，也就能湊合使。但碳纖維領域，工藝落后往往更意味著廢品，不僅是性能壽命下降的問題，而是根本就無法使用。因此，碳纖維復材的生產，是“行百里者半九十”的概念——只是在實驗室做出復材樣品，只和完成了一個概念設計差不多，后面的工藝關，那才是重頭戲。設計定型和生產定型因此緊密耦合——幾公斤樣品，距離用成熟工藝批量生產復材，可差了十萬八千里啊。出于同樣的原因，復材制件的日常維護、測試、修復的經驗、流程與方法，與金屬構件相比，也會發(fā)生顛覆性改變。

正面：在金屬加工行業(yè)，工藝創(chuàng)新往往帶來性能提高；而在碳纖維領域，工藝創(chuàng)新除了提高性能，往往更能夠直接帶來產品創(chuàng)新。一種新工藝，甚至可以帶來CFRP的一個變種產品分類。比如，增強熱縮性塑料工藝，形成CFRTP；增強C工藝形成CFRC（也稱C/C,就是碳/碳復合材料），增強金屬工藝形成CFRM，增強橡膠工藝形成CFRR,等等。又如，整體成型工藝，形成了前所未有的超大壁板和整體段件航空制件。倒過來說，沒有對復材工藝的理解和創(chuàng)新，就沒有對復材產品的理解和創(chuàng)新。 copyright 123456

目前，CF的先進工藝，主要把持在日本手里；CFRP的先進工藝，主要掌握在美國人手里。而且其更新和推廣的速度之快，令人驚心。而國內在這個領域，如上文所述，依然存在著大片的空白。這些空白直接導致先進復材產品系列的缺失。比如在美國航天航空領域開始規(guī)?；捎玫慕饘倩吞沾苫祭w維復合材料，甚至沒有進入2010版的《中國航空材料手冊》。換句話說，如果我們不在工藝基礎上下功夫，指望著山寨外援、避重就輕、零敲碎打、投機取巧，是無法在航空航天復材上獲得全面突破的。

金屬工藝與復材工藝，完全是兩個世界。國內航空業(yè)能在金屬工藝領域駕輕就熟的同時，在復材工藝相對陌生的廣大空間轉換思路、刻苦耕耘、大膽求新，無疑是一個很大的考驗。